電網相間短路的三段式電流保護

（注意：本文中所有的電力系統均為單側電源供電的情況，且文中故障特指相間短路，最後本文字數較多，專業性較強，如果感興趣的朋友，可以仔細閱讀一下，歡迎評論留言相互交流。）

在生活中不知道大家有沒有這樣的疑惑，中國地域遼闊電網遍佈全國，如果當一個地方輸電線路發生短路故障時，電網是怎樣快速切除故障線路，以及又是如何精確的將停電範圍控制在最小。要想明白這個問題，我們就需要詳細的瞭解電力系統繼電保護的相關原理。接下來我為大家介紹一下繼電保護中常用的三段式電流保護的原理。

在次之前先為大家介紹幾個慨念

第一什麼是繼電保護：

繼電保護是對電力系統中發生的故障或異常情況進行檢測，從而發出訊號或動作於跳閘的一種有效的反事故的自動裝置。

第二繼電保護的作用：

1。自動，快速，有選擇性地將故障元件從電力系統中切除，使非故障部分恢復正常執行。

2。透過發出各種預警訊號，向執行人員反映電氣元件的不正常執行狀態。

第三繼電保護的基本要求：

1。選擇性：繼電保護裝置在工作時僅將故障部分切除，對非故障部分不應動作，從而保證停電範圍儘可能的小。

2。速動性：在電網中如果發生相間短路，會使周圍地區的電壓降低，同時很大的短路電流流過正常元件，會使正常元件發熱從而破壞其絕緣或者減少使用壽命。最後會影響電力系統的穩定性，引起系統震盪。因此保護裝置必須具備速動性，快速切除故障。

3。靈敏性：是指保護裝置對其保護範圍內的故障或不正常執行狀態的反應能力。

4。可靠性：保護裝置在工作範圍內不發生誤動（不該動作而動作了）或者拒動（應該動作而沒有動作）。

5。經濟性與可維護性：保護裝置購買與執行費用應當合理，且後期維護應當簡單方便。

無時限電流速斷保護

在電力系統發生故障的時候，通常伴隨有電流的增大，電壓的下降，電流電壓的比值阻抗的改變，電流電壓相位的改變等現象。而本文三段式電流保護的判斷依據就是發生短路故障時電流增大。無時限電流速斷保護（又被稱為電流Ⅰ段保護或者瞬時電流速斷保護）是反應於電流增大而瞬時動作的電流保護。如下圖所示

在每一條線路上均裝有電流速斷保護，當AB線路發生短路故障時，保護2瞬時動作，當BC發生短路故障，保護1瞬時動作。其動作原理如下，保護裝置啟動電流用I

，

（使繼電器動作的最小電流）表示，電流保護裝置是根據電流增大而動作，所以只有當實際短路電流I

≥I

，

時，保護裝置才能啟動。根據電網短路的分析，當電源電勢一定時，短路電流的大小取決於短路點與電源之間的阻抗Z的大小。短路電流的表示方式如下圖所示。

在一個確定的系統中，一般情況下E與Zs是一個不變的常數。故短路電流I

只與Z

有關，將隨Z

的增大而減小。因此經過計數可以畫出短路電流隨線路長度變化的曲線（如下圖中的兩條曲線），其中把透過保護裝置的短路電流最大的方式，稱為系統最大執行方式。透過保護裝置的短路電流最小的方式，稱為系統最小執行方式。

由前面可知繼電保護是具有選擇性的，當故障發生時停電的範圍必須是最小的，故為了保證電流速斷保護的選擇性，如下圖所示對保護1來說，其整定的啟動電流必須大於C點短路時可能出現的最大短路電流（用I

k。c。max

表示）。

引入可靠係數K

，

rei 後（需要注意的是引入可靠係數是考慮到短路電流計數誤差和必要的裕度），上面的公式可以改寫為下式。

同理，由上面計數方式可知，對保護2而言，其啟動電流整定也應當大於B點的最大短路電流I

k。B。max

。如下圖所示

啟動電流（I

，

op。1與I

，

op。2）在上圖中是一條直線，它與曲線Ⅰ和Ⅱ各有一個交點。當故障發生在交點之前時，由於短路電流大於啟動電流，故保護裝置能夠動作。如果故障發生在交點之後，因短路電流小於啟動電流，故繼電保護裝置不會動作。從圖中我們也能看出來，顯然當一條線路的執行方式不一樣時，同一個保護裝置其保護範圍也不一樣，有最大和最小的保護範圍。如同圖中的L

min

和L

max

。同時我們也能夠看出無時限電流速斷保護也是有缺陷的，它不能保護線路的全長。

最後需要注意的是影響電流Ⅰ段保護範圍的因素主要有一下幾點。

1。系統執行方式不同時，保護範圍不同，即保護線路的長短不一樣。

2。當被保護線路的長短不一樣時，那麼保護範圍也是不一樣的，一般而言線路較長時，起始端短路電流差別大，保護範圍也較大（被保護線路佔全線路的比例大）。線路較短時，保護範圍也短（被保護線路佔全線路的比例小）。

3。個別特殊情況下電流Ⅰ段保護也可以保護線路的全長。比如說線路的末端採用的是線路和變壓器組的接線方式時，就可以保護線路的全長。原因是變壓器的阻抗較大，在變壓器前後發生短路故障時，其短路電流差別較大。因此保護裝置能夠對這種情況進行正確判斷。

限時電流速斷保護

透過前面可知無時限電流速斷保護也有自己的缺陷，無法保護線路全長。因此對於無時限電流速斷保護無法保護的那段距離，我們需要重新選用一種保護方式，用以彌補缺陷。這種新的保護就是限時電流速斷保護（又稱電流Ⅱ段保護）。

由於限時電流速斷保護必須保護本線路的全長，因此其保護範圍將延長到下一段線路，但是如果下一段線路發生短路故障，將可能導致保護動作，引起誤動作，將停電範圍擴大。為了避免這種情況的發生。可以採取延時方法來防止誤動作。即限時電流速斷保護比下一段無時限電流速斷保護高出一個Δt的時間段。並且規定限時電流速斷保護的範圍不能超過下一段線路無時限電流速斷保護的範圍。如下圖所示。

在圖中1與2處均裝有電流Ⅰ段與電流Ⅱ段保護，其中保護1的無時限電流速斷保護啟動電流為I

，

op。1，保護2的無時限電流速斷保護的啟動電流為I，op。2，根據上文可知限時電流速斷保護的範圍，不能超過下一段線路無時限電流速斷保護的範圍。即保護2的限時電流速斷保護範圍不能超過保護1的無時限電流速斷保護（如上圖所示AB線的I

，，

op。2在BC線I，op。1的左側，沒有超過BC線電流Ⅰ段保護的範圍）。故電流Ⅱ段的啟動電流應當整定為

引入可靠係數K

，，

reI 後，上面的公式可以改寫為如下

需要注意的是在下圖中，Δt為高出的時間，在實際中通常取值為0。5s。

透過上面的分析可以看出，如果短路點發生在AB線路中電流Ⅰ段無法保護的範圍外，那麼經過0。5s後AB線路中的電流Ⅱ段保護將動作，切斷電源，從而Ⅰ段和Ⅱ段保護配合可以保護AB線的全長。如果故障發生在BC線路的範圍內，那麼BC線路的電流Ⅰ段保護將會立即動作切斷電源，因此不會造成AB線上的電流Ⅱ段保護動作。

定時限過電流保護

定時限過電流保護又稱之為電流Ш段保護，透過前面的分析我們可以得知電流Ⅰ段保護和Ⅱ段保護配合，可以保護線路的全長，但是他們也有自己缺陷，Ⅰ段保護不能保護線路全長，Ⅱ段保護不能作為相鄰線路的後備保護。因此引入電流Ш段保護，既能保護本線路全長，也可以作為相鄰線路的後備保護。電流Ш段保護是指啟動電流按躲開最大負荷電流來整定的一種保護裝置。當電力系統發生短路故障時，電流增大而動作。

如上圖所示，當K

點發生故障，保護1 2 3都會流過短路電流，但是因為保護具有選擇性（後面會說到，利用延時進行選擇），故只有保護3會動作，保護1 2因3斷開，電流減小恢復正常。但是在發生短路時，B母線上的電壓會降低，從而導致保護4後面的大功率電器被停止，當保護3動作後，系統恢復正常，大功率電器發生重啟，在重新啟動的時候，瞬時啟動電流往往是正常電流的幾倍。故在整定啟動電流的時候我們需要考慮這個因素。因此引入啟動係數Kst（一般取值1。5

3）來表示這種情況。